TWI404250B - 具有導電板層之二次電池的單位晶胞及具有此種單位晶胞之鋰離子二次電池 - Google Patents

Description

具有導電板層之二次電池的單位晶胞及具有此種單位晶胞之鋰離子二次電池

本發明有關於一種具有導電板層之二次電池的單位晶胞及具有此種單位晶胞之鋰離子二次電池，尤其是指有關於一種二次電池的單位晶胞及具有此種單位晶胞之鋰離子二次電池，其中該二次電池的單位晶胞內之特定層之間，形成至少一額外之導電板層，以降低因電擊所造成之燃燒或爆炸的風險。

通常，鎳鎘電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鋰離子二次電池等，都被用作為電子產品之電池；而鋰離子二次電池由於具有長使用壽命與大容量，所以最被廣泛使用。鋰離子二次電池依電解質類型分成使用液體電解質的鋰金屬電池、鋰離子電池、及使用聚合物固體電解質的鋰聚合物電池。而鋰聚合物電池又可依照聚合物固體電解質的類型，再區分成理想固體鋰聚合物電池與鋰離子聚合物電池。其中理想固體鋰聚合物電池不含有機電解液，至於鋰離子聚合物電池則使用一種包含有機電解液的膠態聚合物電解質。此外，鋰離子二次電池可依照容置單位晶胞的外部殼體類型而區分成圓筒形電池、矩形電池、及袋型電池等。

近年來，隨著資訊電信工業及電池驅動運輸裝置(油電混合車HEV、電動車EV、節能電動車LEV等)工業的發展，對鋰離子二次電池的需求顯著增加。因此，有許多人積極研究可以符合此種需求的鋰離子二次電池；而此一領域的主題之一是改進鋰離子二次電池的安全性。

第一圖為一立體分解圖，顯示使用一電極積層體200之習知袋型鋰離子二次電池100，第二圖為一剖面圖，顯示供傳統鋰離子二次電池使用的電極積層體200。請參照第一圖及第二圖，製造電極積層體200時，可將一正電極220及一負電極230分別包封在一分隔層210內，並經過繞捲處理使彼此整合為一體；或者，可經由堆疊處理在一特定區域內順序堆疊分隔層210、正電極220及負電極230。電極積層體200係裝設在一袋體300之容置部310內，然後用一蓋板320覆蓋電極積層體200。在習知袋型鋰離子二次電池100中，有一電極分接頭500與一電極導線400連接，以使電極積層體200之正、負電極與一外部裝置連接。與電極導線400及電極分接頭500連接的電極積層體200係裝設在袋體300內，並以蓋板320覆蓋之，然後於袋體300內充填一電解質並將袋體300密封，以完成習知袋型鋰離子二次電池100。

經由繞捲或堆疊處理形成的電極結構，係包括插設於正電極220與負電極230之間的分隔層210，並經反覆堆疊以完成單一之電極積層板200。當充填了電解質的習知袋型鋰離子二次電池100並啟動時，分隔層210可防止正電極與負電極發生短路。分隔層210內的多數孔隙，其功能像多數通道，當習知袋型鋰離子二次電池100充電/放電時，此等孔隙可供鋰離子通過。

使用鋰離子二次電池的裝置，由於終端使用者之行為及裝置的使用環境，可能會遭受衝擊、熱、過度充電、過度放電、短路、穿透、壓縮等。如此會導致鋰離子二次電池的損壞，造成鋰離子二次電池燃燒或爆炸。大部份的鋰離子二次電池於製造時，都會考慮到此種安全層面。雖然，在使用者要求下，鋰離子二次電池的容量增加，鋰離子二次電池內的儲存能量也隨之增加，但是鋰離子二次電池的安全性卻隨著增加的能量密度而劣化。當鋰離子二次電池被穿刺或壓縮時，或被施加劇烈震動時，位於鋰離子二次電池的單位晶胞內之分隔層會因物理力量而損壞，導致負電極與正電極短路。當短路發生時，電池的內部電流與電極活性材料彼此反應而產生熱能，因此電池溫度猛然增加，導致鋰離子二次電池燃燒或爆炸。

因此，本案發明人等提出一種單位晶胞，其包括二電極、一分隔層、一電極導線、及一額外的導電板層，以使由於穿透、震動、壓縮及其它電性衝擊所產生的熱量減至最低。

因此，有鑒於先前技術中存在的上述問題，特此提出本發明。本發明之主要目的係提供一種用於鋰離子二次電池的單位晶胞。此種單位晶胞可減少因物理及電性震動造成的燃燒或爆炸。

本發明之另一目的旨在於提供一種具有上述單位晶胞的鋰離子二次電池。

為了達成本發明之上述目的，本發明提供一種用於鋰離子二次電池的單位晶胞。此種單位晶胞係包括(A)堆疊複數個單位結構而形成的電極積層體，每一單位結構包括至少一電極與至少一分隔層；以及(B)至少一導電板層，係位於電極積層體內的特定層之間，並與一電極導線電性連接。

導電板層可用至少一種金屬製成，此金屬可選自包括：鋁、銅、鎳、鐵、鋅、鉛及鈦之群組。當導電板層係與正電極接觸時，可用鋁製造之；而當導電板層係與負電極接觸時，可用銅製造之。導電板層之厚度可在0.001至200mm之範圍內。

單位晶胞可包括二個或多個導電板層，且此等導電板層可分別位於最上方的分隔層與最上方的電極之間，與位於最下方的分隔層與最下方的電極之間。在此情況時，該等二個或多個導電板層可在相對電極導線之一側形成電性連接。

本發明鋰離子二次電池的單位晶胞之導電板層於電池遭受物理或電性衝擊而發生短路期間，可將電流快速傳導至外側，或降低產生的熱量。因此，可以減少因物理或電性衝擊所造成之燃燒或爆炸的風險，並改進鋰離子二次電池的安全性。

根據本發明鋰離子二次電池的單位晶胞，係包括一電極積層體200；以及至少一導電板層240。當形成電極積層體200時，係將一包括正、負電極220、230及一分隔層210之單位反覆地積層。導電板層240係位於電極積層體200的特定層之間，並與一電極導線作電性連接。

雖然導電板層240可用任何導電材料形成，諸如金屬與非金屬材料，但是，以電導率而言，較佳是使用至少一種金屬來形成導電板層240，此等金屬可選自包括：鋁、銅、鎳、鐵、鋅、鉛及鈦之群組。此外，由於導電板層240使用與正電極220或負電極230相同的材料形成時，可改進電池的安全性。所以，當導電板層240係與正電極220接觸時，可用鋁形成之；而當導電板層240係與負電極230接觸時，可用銅形成之。

導電板層240之厚度可在0.001至200mm之範圍內。若電池具有大容量，那麼電池的安全性隨著導電板層240的厚度增加而改進。因此，對於大容量電池，可以增加導電板層240的厚度。在此情況時，可以使用複數層導電板作為導電板層240，以改進電池的安全性。導電板層240的尺寸並無限制。通常，導電板層240的尺寸與電極的尺寸相同，但導電板層240對電極的尺寸比可以改變，改變程度須在鋰離子二次電池的製程限制範圍內。

此外，本發明中使用的導電板層數目並無限制。用於鋰離子二次電池的導電板層數目，係根據電池短路發生時所需要的電導效率來決定。同時，導電板層240的位置亦無限制。電極、分隔層及導電板層的積層方法可使用繞捲型與堆疊型中的任何一種。繞捲型是將正、負電極包封在分隔層內，並使正、負電極整合為一體。堆疊型則是在一預定區域內依順序堆疊分隔層、正電極與負電極。

第三A圖至第三F圖為剖面圖，顯示將本發明之導電板層240放置於電極積層體200特定層之間的多個實施例。如第三A圖所示，可將二個導電板層240、240分別插入二個最上方的分隔層210之間與二個最下方的分隔層210之間；如第三B圖所示，可將單一導電板層240置於電極積層體200內的分隔層210之間；如第三C圖所示，可將二個導電板層240、240分別置於最上方的分隔層210與一設在最上方的分隔層210下方的正電極220之間，及最下方的分隔層210與一設在最下方的分隔層210上方的電極之間。選擇適當的放置位置時，可考慮電池的結構限制、效率等因素。當電極積層體包括二個或多個導電板層240時，導電板層240的末端可使用與其材料完全相同或者不同的導電材料作電性連接，如第三D圖、第三E圖及第三F圖所示。

第四圖顯示當導電板層240被插入電極積層體200內後，再將一電極導線400及一電極分接頭500與單位晶胞連接。第四圖所示的單位晶胞具有第三A圖所示之電極積層200。第四圖中，被插入的導電板層240其電極導線係與正電極之電極導線連接。這些電極導線進而與正電極之電極分接頭連接。與負電極連接的電極導線並不與導電板層240連接，而是與負電極之電極分接頭連接。以此方式，即可完成包括導電板層240的單位晶胞。前述電極積層體200與電極導線及電極分接頭的連接方法，可以應用於第三A圖至第三F圖所示的電極積層體。同時，根據導電板層240的類型，導電板層240可與負電極的電極導線連接，而不是與正電極的電極導線連接。

現在解說本發明多個實施例，藉以說明本發明之細節。然而，本發明可以用不同形式具體表現之，因此不應將其解釋為限於本文所述之實施例。

[第一實施例]

使用鋰鈷氧化物(此為一種鋰過渡金屬氧化物，正電極之活性材料)、碳黑導電材料、聚偏氟乙烯(PVDF)膠合劑、及N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液製成泥漿，將其塗佈在一鋁製電流收集器上，此泥漿乾燥後形成一正電極。另外使用石墨粉、碳黑導電材料、聚偏氟乙烯(PVDF)膠合劑、及N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液製成泥漿，將其塗佈在一銅製電流收集器上，此泥漿乾燥後形成一負電極，然後裁切一電極分接頭，使之成為一突出狀，並具有一預定大小。

經由一堆疊方法堆疊正電極與負電極，並在正電極與負電極之間插設一複層的聚乙烯多孔層，以完成形成一單位晶胞的電極積層體。在此實施例中，使用厚度為0.1mm的鋁薄板作為一導電板層。將二片鋁薄板分別插入電極積層體的二個最上方的分隔層之間，與電極積層體的二個最下方的分隔層之間，如第三A圖所示。將鋁薄板與位於單位晶胞外層之電極的電極導線連接。等單位晶胞組接後，再將一電極分接頭接設到電極導線上。

使用鋁製作一個容置部，使其具有一個凹槽，以便輕易地將單位晶胞裝設於其內；再形成一個可覆蓋該容置部的蓋體，以完成一袋體。然後，將單位晶胞裝設在鋁袋內並密封鋁袋之表面，僅留一面未密封。將容置有單位晶胞之袋體浸入一用於鋰離子二次電池之電解質，此電解質係由碳酸乙二酯及六氟磷酸鋰(LiPF₆ )鋰鹽構成，而六氟磷酸鋰(LiPF₆ )鋰鹽係溶解於碳酸乙二酯內。將袋體密封至真空狀態。然後使袋體老化，讓電解質充分浸潤單位晶胞之電極，以初步充電單位晶胞；再使袋體穩定化以產生一袋型鋰離子二次電池。

[第二實施例]

使用與第一實施例相同的製作方法形成單位晶胞及鋰離子二次電池，但使用單片鋁薄板作為導電板層，將其插入位於電極積層體內的分隔層之間，如第三B圖所示。

[第三實施例]

使用與第一實施例相同的製作方法形成單位晶胞及鋰離子二次電池，但使用二片鋁薄板作為導電板層，將其分別插入位於最上方的分隔層與一設在最上方的分隔層下方的電極之間，及最下方的分隔層與一設在最下方的分隔層上方的電極之間，如第三C圖所示。

[第四實施例]

使用與第一實施例相同的製作方法形成單位晶胞及鋰離子二次電池，但使用二片鋁薄板，將其分別插入二個最上方的分隔層之間與二個最下方的分隔層之間，如第一實施例所述，並將二片鋁薄板相對電極導線的一側彼此作電性連接，如第三D圖所示。

[第五實施例]

使用與第一實施例相同的製作方法形成單位晶胞及鋰離子二次電池，但使用二片鋁薄板，以相同於第三實施例的方式插置，並將二片鋁薄板相對電極導線的一側彼此電性連接，如第三E圖所示。

[第六實施例]

使用與第一實施例相同的製作方法形成單位晶胞及鋰離子二次電池，但將一金屬薄板插入二個最外的分隔層之間，另一金屬薄板則插入位於電極積層體內的二個分隔層之間，並將二片金屬薄板相對電極導線的一側彼此電性連接，如第三F圖所示。

[比較實例]

使用與第一實施例相同的製作方法形成單位晶胞及鋰離子二次電池，但單位晶胞內未插入鋁薄板作為導電板層。

[穿透鑑定]

將各實施例及比較實例之袋型鋰離子二次電池充電，並以袋體較寬側朝上的方式放置袋體，然後使用一直徑5mm之鋼針，以一預定速度穿刺袋型鋰離子二次電池較寬側的中心，以便進行穿透鑑定。鑑定結果列於表一。

從表一可以確定，在實施例1、2、3、4中，即使鋼針速度減至20mm/秒以增加內部短路時間，也未發生燃燒。尤其在實施例4中，即使鋼針速度減至10mm/秒，也未發生燃燒。此乃因為單位晶胞最外的金屬薄板於袋體被刺穿時，可將電流快速傳導至外部，而於遇到內部短路時，金屬薄板內產生的熱量，比正、負電極內產生的熱量小得多，因此電池安全性獲得改進。

在實施例5與實施例6中，即使鋼針速度減至20～40mm/秒以增加內部短路時間，也未發生燃燒。將金屬薄板放在單位晶胞內時，電池安全性較低，而當金屬薄板放在單位晶胞的最外層時，電池安全性較高。然而，與不具導電板層的比較實例相比時，鋰離子二次電池的安全性已有改進。

在比較實例中可以確定的是，即使在60mm/秒的高速下，也會發生燃燒。

以上雖然參照多個實施例來說明本發明，但本發明範圍不以此等實施例為自我設限，而應以所附申請專利範圍為準。同時可以理解的是，此類技術領域內的專技人士可以對本發明上述各實施例作變化或修飾而不脫離本發明的範圍與精神。

100．．．習知袋型鋰離子二次電池

200．．．電極積層體

210．．．分隔層

220．．．正電極

230．．．負電極

240．．．導電板層

300．．．袋體

310．．．容置部

320．．．蓋板

400．．．電極導線

500．．．電極分接頭

本發明前述及其他目的、特徵及優點，可從參照本發明較佳實施例詳細說明及附圖而更加明白。附圖包括：

第一圖：係習知袋型鋰離子二次電池之立體分解圖。

第二圖：係習知鋰離子二次電池使用之電極積層體的剖面圖。

第三A圖至第三F圖：係本發明之電極積層體在特定層之間具有導電板層的剖面圖。

第四圖：係顯示本發明之一單位晶胞，包括第三A圖所示之電極積層體，並與一電極導線及一電極分接頭連接的立體分解圖。

200．．．電極積層體

210．．．分隔層

240．．．導電板層

400．．．電極導線

500．．．電極分接頭

Claims (8)

1. 一種具有導電板層之二次電池的原晶胞，係包括：一電極積層體，係以堆疊多數單位結構的方式形成之；每一原結構包括至少一負電極、至少一分隔層，及至少一正電極；以及至少一導電板層，係位於該電極積層體內的特定層之間，並與一電極導線作電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項的具有導電板層之二次電池的原晶胞，其中該導電板層係以至少一種金屬製成，該至少一種金屬係選自包括：鋁、銅、鎳、鐵、鋅及鈦之群組。
3. 如申請專利範圍第1項的具有導電板層之二次電池的原晶胞，其中，當該導電板層係與一正電極接觸時，則使用鋁製造之；而當該導電板層係與一負電極接觸時，則使用銅製造之。
4. 如申請專利範圍第1項的具有導電板層之二次電池的原晶胞，其中該導電板層為一複數層板。
5. 如申請專利範圍第1項的具有導電板層之二次電池的原晶胞，其中該導電板層之厚度在0.001mm至200mm之範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項的具有導電板層之二次電池的原晶胞，其中該單位晶胞包括二個或多個導電板層，且該等導電板層係分別位於最上方的分隔層與最上方的電極之間，及位於最下方的分隔層與最下方的電極之間。
7. 如申請專利範圍第6項的具有導電板層之二次電池的原晶胞，其中該等二個或多個導電板層，係與電極導線相對之一側形成電性連接。
8. 一種鋰離子二次電池，係包括申請專利範圍第1至7項中之任何一項所述的具有導電板層之二次電池的原晶胞。